Een onderzoek onder leiding van natuurkundigen van het Indiana University Center for the Exploration of Energy and Matter zou nieuw inzicht kunnen verschaffen in de samenstelling van het universum onmiddellijk na de oerknal, en ook de berekeningen kunnen verbeteren die worden gebruikt om de levensduur van sterren te voorspellen en te beschrijven de regels die de subatomaire wereld beheersen.

De studie, gepubliceerd op 11 mei in het tijdschrift Wetenschap , rapporteert een zeer nauwkeurige manier om de vervalsnelheid van neutronen te meten. Een auteur over de studie, Chen Yu Liu, is een professor aan de afdeling Natuurkunde van het IU Bloomington College of Arts and Sciences.

"Dit is een significante verbetering in vergelijking met eerdere experimenten, " zei Liu, die een leider is in het UNCtau-experiment, die neutronen gebruikt van de Los Alamos Neutron Science Center Ultracold Neutron-bron in het Los Alamos National Laboratory in New Mexico. "De gegevens zijn veel nauwkeuriger dan wat we eerder hadden."

De snelheid van het verval van neutronen - subatomaire deeltjes zonder lading - is significant omdat het wordt gebruikt om het aandeel waterstof en helium in het universum een ​​paar minuten na de oerknal te voorspellen. Het aantal heeft ook invloed op berekeningen die worden gebruikt om te bepalen hoe snel waterstofatomen in sterren opbranden en op de regels die de elementaire deeltjes zoals quarks en gluonen beheersen. Dit komt omdat tijdens neutronenverval, een "up"-quark verandert in een "down"-quark, een proces dat natuurkundigen nog niet helemaal begrijpen.

Wetenschappers gebruiken momenteel twee methoden om neutronen te isoleren en hun vervalsnelheden te berekenen:

• De "fles"-methode:het tellen van het aantal neutronen dat in de loop van de tijd overblijft nadat ze in een container zijn opgesloten.
• De "beam"-methode:het meten van de snelheid van protonen die tevoorschijn komen uit een neutronenbundel die wordt gegenereerd door een kernreactor.

Sommige natuurkundigen beschouwen de bundelmethode als nauwkeuriger omdat de flesmethode het risico loopt dat neutronen die in de container worden geabsorbeerd verkeerd worden geteld als verdwijnend uit verval. Maar de studie van Liu en collega's gebruikt een onzichtbare container gemaakt van magnetische velden en zwaartekracht om het risico op interferentie van fysiek materiaal te elimineren. Als resultaat, het experiment kan de levensduur van een neutron met een hoge mate van precisie meten.

"Een neutron zou technisch gezien drie weken in onze val kunnen leven, die veel langer is dan alle andere eerder geconstrueerde 'flessenvallen', "Zei Liu. "Deze lange levensduur van de val maakt het mogelijk om een ​​zeer nauwkeurige meting te bereiken."

Het gebruik van een "magnetische zwaartekrachtval, " waarin de magnetische lading en massa van de neutronen voorkomen dat ze uit hun container ontsnappen, maakt het ook gemakkelijker om de neutronen te meten omdat de fles "dekselloos is, ' zei Liu.

Liu's lab nam in 2011 deel aan het UNCtau-experiment om het project nieuw leven in te blazen. Het werk vergde vijf jaar om te ontwerpen, fabriceren, hun apparatuur testen en installeren bij de neutronenbron in Los Alamos, waarna het team begon met het uitvoeren van experimenten en het verzamelen van gegevens. Leden van Liu's lab reizen regelmatig naar New Mexico om apparatuur te testen, voer experimenten uit en noteer de resultaten.

"Vijf jaar om een ​​experiment op gang te krijgen en data te produceren is in ons vakgebied erg snel, Liu zei. "We hebben elk jaar ongeveer zes maanden ter plaatse doorgebracht en zes maanden aan het maken van hardware. Het was echt een cyclus van snelle prototyping en verbetering. We zouden de technologie nooit hebben kunnen renoveren zonder de mechanische en technische ondersteuning die beschikbaar is in het IU Center for the Exploration of Energy and Matter."